管流測試中激光技術的應用及分析

王 軍耿 介李 東王心慧

（1.山東大學 能源與動力工程學院，濟南 250061；2.山東建筑大學，濟南 250101）

管流測試中激光技術的應用及分析

王 軍1,2耿 介1李 東1王心慧2

（1.山東大學 能源與動力工程學院，濟南 250061；2.山東建筑大學，濟南 250101）

利用二維頻移激光多普勒測速儀對管內流動進行速度場測試，測試結果表明，隨雷諾數的增加軸向速度增長較快，平均速度剖面圖顯示出流動逐步由過渡區進入紊流區；徑向速度在接近管軸區域時，由于主流區的作用變化較為平緩，遠離管軸的區域徑向速度的波動幅度和頻率隨雷諾數的增加而變大，近管壁區由于粘性力作用的增強，徑向速度的數值和波動幅度顯著降低。

管內流動 激光 雷諾數 粘性力

引言

管內流動是工業過程中最常見的現象之一，流體在管內的流動是不穩定的，其流體動力學特性非常復雜。科研人員對管流的研究做了大量工作，由于其流動性質具有特殊性，因此，對它的研究具有重要意義。激光自出現以來，在多數場合得到廣泛應用，對速度的測量是其中的一個重要方面，激光測速技術在流場測量中的應用可以獲得更多的流場信息。傳統測速方法需要把測速裝置布置在流場中，對流動產生一定影響，使誤差增大，激光測速技術的應用有效解決了這個問題。多普勒測速儀利用布置在流場外的激光發射器照射流動顆粒，利用顆粒本身的特性獲得流場詳細信息，不會對流場產生干擾，具有較高的準確度，因此，在很多場合得到廣泛應用[1]。

1 實驗原理及裝置

多普勒測速儀[1-2]利用運動顆粒散射光的多普勒頻移來獲得顆粒速度信息，大多數顆粒如空氣中的塵埃、水流中的雜質等，它們的尺寸和濃度都可以滿足多普勒測速的要求，而且都可以隨流體較好地流動，因此，通過多普勒測試可以獲得流場的詳細信息。

整個實驗系統由水循環系統和多普勒測試系統組成。測試段采用直管段，用有機玻璃材料制作。多普勒測試系統[3-5]如圖1所示，主要由激光發生器、入射光系統、接收光系統，信號處理器、計算機、坐標架系統組成。

圖1 多普勒測速系統

2 系統調整及實驗方案

2.1 系統調整

水循環系統[6]負責流動狀態的維持和流動的調整，通過控制閥門的開度來調節管內的流量，以形成不同流態下的流動。半導體激光器的發射光單元放置在主導軌上，在導軌上通過搖臂滑動可適當移動位置，對不同位置進行測量，激光器發射出的三束入射光應嚴格相交。

接收光單元的接收透鏡光軸線應盡量與入射光單元的光軸線位于同一軸線上，確保接收器高度與入射光單元一致。

2.2 實驗方案

半導體激光器對環境溫度比較敏感，工作前一般應預熱30min，保證激光發射器工作的穩定性。按照三維坐標架的技術參數對LDV進行調整。根據管內流動特點，近壁處流速變化較大，進入主流區后變化趨緩，近壁處測點布置加密以便反映流動特點。

3 實驗結果分析

3.1 LDV和DPIV的實驗結果對比

選取Re=5 400的軸向速度分布進行分析，該流動雷諾數和Westerweel實驗里的雷諾數非常接近，對本文的實驗數據和Westerweel的實驗結果進行對比分析[7]。

圖2 LDV和DPIV的實驗結果對比

圖2給出了圓管流動的統計結果，在圖2中，Wester代表Westerweel[7]的DPIV結果。從圖中可以看出，平均速度剖面在該雷諾數下的趨勢和Wester實驗結果吻合。相比在遠壁段兩種實驗的吻合度較高，在近壁端，由于管壁影響的微小差別，吻合的趨勢有一定變化，但速度變化的總體趨勢一致。

3.2 流場軸向速度變化情況分析

通過閥門調節控制流態變化，獲得速度場的分布。選取了雷諾數為2000、2400、3800、5400和7800五種流態下的測試結果進行分析，考慮到流場的瞬時性和突變性，為了更好地反映速度變化情況，比較不同流態下的流場變化，把相關參數無量綱化，以便在同一基準上對流動作進行分析。

圖3 軸向速度分布圖

圖3為軸向速度分布圖，r以管中心為起點，管內壁為終點。由圖3可看出，脫離近壁區后為主要加速區，由于粘性力的影響減小，隨雷諾數的增加，軸向速度增加較快。雷諾數較低時，軸向速度曲線比較平緩，雷諾數大于5 400時，曲線形狀變化比較明顯。當Re=2 000，r/D小于0.475時，流動區域逐漸向管中心移動，軸向速度出現較大幅度增加；當Re=5 400，r/D小于0.487時，軸向速度才出現較明顯的變化，說明隨流動雷諾數的增加，主流區的范圍擴大。不同雷諾數的流動均在管道中心軸上獲得最大速度，隨雷諾數的增加，最大速度的數值有較大幅度提升。

3.3 流場徑向速度變化分析

圖4 徑向速度絕對值分布圖

圖4為不同雷諾數下徑向速度取絕對值后的分布情況，雷諾數為3 800時，徑向速度近似為零，隨測量點位置的變化，徑向速度變化不明顯。雷諾數為5 800時，徑向速度絕對值波動趨勢增強，距離管軸線較近時，波動較平緩，隨著與管軸線距離的增加，波動的幅度變大，而且波動的情況具有隨機性。雷諾數達到7 800時，徑向速度波動的幅度進一步增加，和雷諾數為5 800時相比，在距離管軸線較近的位置，徑向速度就出現了較大幅度變化，且波動的幅度、頻率、隨機性要高于雷諾數為5 800時的情況。

雷諾數為5 800和7 800時，在距管軸線較近的位置，徑向速度絕對值的變化都比較平緩，但前者更為明顯，原因是雷諾數為5 800時，流動受主流區的影響較大，隨著逐漸遠離主流區，兩種雷諾數下的徑向速度都出現了較大變化，流動進入湍流區。

4 結論

（1）本文利用二維頻移激光多普勒測速儀對流體管內流動的速度分布進行測試，獲得了不同流態下的速度曲線，在相近的雷諾數下，軸向平均速度分布測試結果和Westerweel的DPIV測試結果基本吻合，證明了實驗結果的可靠性。

（2）主流區流動對徑向速度的變化有一定影響，特別是隨雷諾數的降低，這種影響逐漸加大，在距離管軸較近的位置，主流區軸向流動較強，造成徑向速度波動趨緩，隨著距管軸距離的增加，徑向速度波動的幅度變大。

（3）流動過程中，粘性力對徑向速度的變化有明顯作用。雷諾數較小時，粘性力的影響較大，徑向速度波動的幅度減小且絕對值下降明顯，隨雷諾數的增加，雖然徑向速度波動幅度增加，但近壁處受到粘性力作用，速度絕對值快速下降。

[1]沈熊.激光多普勒測試技術原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]F.杜斯特，A.梅林，J.H.懷特洛.激光多普勒測速技術的原理和實踐[M].北京：科學出版社，1992.

[3]Zhou Jian. Application of Frequency Spectrum Refinementand Correction Technology in Laser Doppler Velocimeter[J].Laser&Infrared，2010，（2）：146-151.

[4]Liu You, Yang Xiaotao, Ma Xiuzhen.Technique of Flow Field Measurement Based on Laser Doppler Velocimetry. [J]. Laser&Infrared，2012，（1）.

[5]He Chunsheng, Zhang Hongjun,Wang Tianyu. A Study on the Image Processing Method in Doppler Global Velocimetry[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument，2011，（32）.

[6]Liu Yonghui, Du Guangsheng,Liu Liping,Shao Zhufeng,Zhai Chengyuan.Experim-ental Study of Velocity Distribution in the Transition Region of Pipes[J]. Journal of Hydrodyn-amics，2011，（5）：643-648.

[7]J.Westerweel，A.A.Draad，J.G.Th.Vanderhoeven，J.VanOord. Measurement of Fully-dEveloped Turbulent Pipe Flow with Digital Particle Image Velocimetry[J].Experiments in Fluids，1996，（20）：165-177.

Application and Analysis of Laser Technology in Pipe Flow

WANG Jun1，2,GENG Jie1, LI Dong1,WANG Xinhui2
(1.School of Energy and P ower Engineering, Shandong University, Jinan 250061;2.Shandong Jianzhu University,Jinan 250101)

A t wo-dimensional Laser Doppler Velocimetry was utilized to test the velocit y field of a pipe.The t est results show that axial velocity is increas ed with the improvement of the Reynolds number, the profile of average velocity shows that the flow is gradually shifted from the transition zone to the turbulent region. Radial velocity near the pipe axis changes more gently by the action of mainstream area; with the increase of the Reynolds number, the amplitude and frequency of radial velocity fluctuation are improved in the area away from pipe axis. Because of the effect of viscous force the value and fluctuation amplitude of radial velocity decreases significantly in the region near the pipe wall.

pipe flow, laser, reynolds number, viscous force